采动影响下逆断层活化规律的数值模拟

煤矿开采过程中断层活化时有发生,是矿井灾害防治研究的热点问题。为了揭示不同断层倾角条件下煤层开采对断层活化的影响,以淮南新集二矿地质采矿条件为例,采用FLAC3D进行数值模拟,系统研究逆断层下煤层开采过程中断层的动态活化规律,阐明了断层活化位置与工作面推进距离、断层倾角之间的关系。研究表明,断层活化可分为累积期、形成期、破坏期3个发育阶段;当工作面回采至工作面推进距离的一半时,断层开始活化,至开采结束,断层滑移量最大;倾角越小的断层面越早开始活化,倾角越大的断层面滑移量越大。研究成果为断层发育区煤炭资源安全开采提供了理论依据和技术参考。      

覆岩中断层活化突水的力学分析及其应用

据资料统计,国内煤矿的突水淹井事故80%以上是由断层引起的,大多数是原始地质条件下的非导水断层在采动影响下活化发生突水。出于安全生产和保水采煤的需要,对采场覆岩中断层因工作面的推进而活化突水进行力学分析,研究防止断层活化突水和保水采煤的开采方法。由摩尔-库仑破坏准则得出断层的活化准则,推导出断层活化的临界倾角、断层活化时的临界开采深度和间隔式开采断层活化时工作面临界推进距离。结果表明,断层的破坏形式与断层倾角有很大关系,随着断层倾角的增大,断层的破坏形式依次表现为,随着工作面的推进断层和覆岩一同破坏、剪切破坏和拉破坏。断层倾角越大,越容易活化。以大柳塔煤矿保水采煤为例,应用研究成果计算了间隔式开采工作面的临界推进距离,并且以相似模拟试验验证了计算结果。     

不同倾角隐伏断层条件下的底板突水模拟研究

为了揭示不同倾角隐伏断层条件下的底板突水机理,运用剪切破坏理论建立了隐伏断层导水机理的力学模型。根据某实际矿井地质条件构建了倾角分别为15°、30°、45°、60°和落差为3m的隐伏逆断层模型,运用FLAC3D数值模拟方法分析了不同倾角隐伏逆断层在开采条件下的塑性区、垂直应力、孔隙水压力分布情况。结果表明:承压水的理论极限值受工作面埋深、采高、隐伏断层产状及其与底板距离等因素的影响,其中隐伏断层倾角的影响最为显著。当断层倾角较大、且与塑性区相交后断层下盘就会发生大面积破坏,破坏深度可达到23m;当隐伏断层靠近底板破坏区或完全位于采空区下方,隐伏断层末梢垂直应力大幅度降低,且沿断层方向岩层应力也大幅下降;孔隙水压力的压差高度随着隐伏断层倾角的增大而逐渐减小,但底板孔隙水压力的变化趋势则相反,隐伏断层上端末梢的揭露位置越靠近切眼,其孔隙水压力值越大,对开采工作影响越大。     

断层附近地应力扰动带宽度及其影响因素

在建立正断层模型的基础上,利用三维有限元数值模拟方法研究了断层附近地层中的地应力变化规律。其结果表明,由于断层活动,在断层附近普遍发育应力扰动带;在应力扰动带范围内,地应力方向和大小发生明显的变化,断层中部附近应力值普遍较低,而断层端部的应力值通常异常增大。应力扰动带的分布范围主要受断层规模的控制,与断裂带的岩石力学性质、断层走向、断层面形态和边界应力条件等因素也密切相关。随断层长度和断距逐步增大,应力扰动带的宽度相应增加。断裂带的岩石越破碎,其岩石弹性模量越低,断层对地应力的影响宽度越大。断层走向与区域最大水平主应力方向越接近垂直、断距与断层长度的比值越大,区域内的差应力越大,则扰动带宽度与断层规模的比值也越大。选择渤海湾盆地BZ-X油田进行验证,在建立油田实际三维地质模型基础上,根据边界应力条件,利用三维有限元方法对沙河街组二段的地应力分布进行了数值模拟计算。根据断层周围的地应力变化,确定了应力扰动带的分布范围,断层附近应力扰动带宽度的分布规律与正断层模型分析结果相一致。      

加载速率与断层倾角对断层矿震失稳影响的试验研究

研究断层黏滑过程力学特征及规律,对预测断层矿震的发生具有重要的理论意义和现实意义。试验以粗晶正长花岗岩为例,采用双轴加载的方式进行直剪摩擦滑动试验,研究了不同断层倾角黏滑失稳特征,分析了不同侧压下加载速率为0.5、1.0、5.0μm/s时对断层错动黏滑失稳的影响。研究结果表明：断层黏滑失稳时临界剪应力随着加载速率的增大是先减小再增大,而应力降随着加载速率的增大呈下降趋势,低速加载、高侧压时,断层发生黏滑所需的临界剪应力最大,断层发生黏滑时产生的应力降最大。侧压增大时,临界剪应力增大,平均应力降增大,平均黏滑周期增大。加载速率越低,平均应力降越大,同一侧压下平均黏滑周期越大,侧压变化对平均黏滑周期的影响越显著。黏滑周期与加载速度之间满足负对数线性关系,且不受侧压影响。断层倾角由56°变为45°时,在相同的侧压下临界剪应力增大,平均应力降减少,平均黏滑周期增大。断层倾角为34°试样达到峰值应力时,断层发生瞬间失稳现象,随着围压的增大,发生失稳时能量的释放也越大。大倾角断层易发生断层矿震,但释放能量小、震级低,而小倾角断层不易发生断层矿震,一旦发生失稳,释放的能量大震级高。开采速度对断层矿震...     

基于剪切梁层间失效模型的断层冲击地压分析

将剪切梁层间失效模型用于分析断层冲击地压的发生,在不考虑断层的弹性时对断层冲击地压进行了解析分析,得到了剪切梁的位移和应力分布规律和断层冲击地压发生时撕开裂纹长度和临界载荷。分析了撕开裂纹长度和临界载荷与各种力学参数之间的关系。研究结果表明：当采深越大,剪切梁的剪切弹性模量越小,剪切梁厚度越厚,断层带剪切软化模量越大;断层带厚度、滑动摩擦系数、剪应力峰值强度越小时,断层冲击地压容易发生。采深、剪切梁的剪切弹性模量、断层带剪切软化模量、剪应力峰值强度、断层带厚度这些参数对断层冲击地压的发生影响较大。其结果为预测、防治断层冲击地压提供了理论依据。     

降雨条件下顺倾向煤系地层边坡稳定性的影响研究

煤系地层具有岩层软硬不均,层间胶结较差,风化速度快,遇水易软化,结构易破坏导致强度丧失等特点,特别是夹层中炭质泥岩或页岩具有强度低、易活化、易变性和渗透系数相对较小的特点,这决定了其对整体边坡的稳定性具有控制作用。文章分析了煤系地层边坡饱和、非饱和渗流降雨条件（降雨强度）、土性参数（夹层饱和渗透系数）以及边坡形状尺寸（坡脚、夹层倾角、夹层埋深）等因素对边坡渗流特点及稳定性的影响,发现软弱夹层与上下岩体渗透性差异性对边坡稳定性影响明显;软弱夹层埋置越浅,边坡越易失稳;降雨强度越大,边坡越易沿软弱夹层发生滑坡;并非坡脚越大降雨之后边坡的安全系数降低幅度就大,而是随着夹层倾角的增大,边坡的安全系数逐渐降低,边坡越易沿软弱夹层发生滑坡,这些认识对煤系地层边坡的设计和治理有重要的参考意义。      

断层端部地应力影响因素数值分析

断层端部是煤与瓦斯突出事故的主要危险地段。利用有限差分数值模拟软件FLAC3D模拟断层端部地应力场分布情况。结果表明:断层倾角、断层性质、断层内摩擦角、煤层弹性模量、煤层泊松比和边界应力比是影响断层端部应力大小的主要因素。其中断层内摩擦角和边界应力比对断层端部应力的影响最为敏感,是断层端部应力集中程度的主控因素;断层倾角对断层端部应力的影响比较大,倾角为45°时断层端部应力最大。利用该软件,在临近断层开采区内对断层端部应力集中程度和应力集中范围的预测,有助于确定断层防水煤柱的留设宽度和预防煤与瓦斯突出事故的发生。      

逆断层控制构造裂缝发育的力学机制模拟

在探讨逆断层对构造裂缝控制作用的基础上, 应用Comsol有限元软件, 模拟不同水平作用力、不同岩性、不同断层倾角和距断层面远近等因素影响下断层及其周边区域的应力、应变情况, 并分析了不同控制因素下构造裂缝发育的规律。模拟结果表明, 构造裂缝的发育程度随施加的水平应力作用增大而线性增大; 岩石破裂前产生的应变量可用来描述岩石的脆性, 抗压强度对岩石破裂起主导作用, 而岩石的抗剪强度与岩石破裂发育有一定的相关性; 逆断层倾角存在一个临界角度, 使构造裂缝发育最为强烈; 逆断层控制裂缝发育, 距离断裂面越远裂缝发育程度越低, 并存在一个发育程度骤减的范围, 称为"断裂控制带", 该断裂控制带的形成和分布应该与断裂的性质、规模、断距及岩石力学参数等有关。      

断层对压裂液运移影响的数值模拟研究

水力压裂必然会带来相关环境问题,压裂液对浅层含水层的影响不容忽视。为了查明压裂液潜在的向上运移通道及不同地质条件下压裂液的运移情况,对压裂液潜在的运移通道进行了分类,基于变密度数值模拟软件SEAWAT,考虑不同渗漏点与断层底部距离、不同断层倾角对压裂液运移的影响,设计了6种情景开展了数值模拟。结果表明:压裂液潜在向上运移通道主要有对流传输、裂隙传输以及井管泄露。密度差异产生的浮力是压裂液上升的主要动力。压裂液渗漏点距离断层底部越近,影响范围越大,监测点水位和浓度均最先降低。在存在微弱水力梯度条件下,断层倾角α为20°时,断层对局部水流水位及浓度影响较大;α为90°时,对压裂液运移产生影响较小;α为70°时,断层对压裂液运移影响最大,压裂液会扩散至较大范围。     

高密度电法在和田隐伏断层探测中的应用

西昆仑山前一系列的新生代背斜的翼部往往伴生向南斜倾的逆断裂,这些断裂隐伏于早更新世或中更新世洪积砂砾石层,构成了和田隐伏断裂带。该断裂带由2条陡坎状断层组成,宽约10.6km,深度20~300m,落差110~270m。根据卫星影像和地质工作成果,和田隐伏断裂的一支从和田市南部穿过,但南郊飞机场附近没有露头,为探查断层在该区域的位置及深度,沿垂直于推测的断层走向布设2条测线,采用温纳（WN）测量系统对其进行探测。探测结果表明：2条测线皆发现了逆断层,均上切错断了上覆晚更新世地层,其中测线1存在2处断层,一处断层倾向南,倾角50°左右,另一处断层倾向北,倾角约55°;测线2存在一处断层,倾向北,倾角近80°。通过比对高密度电法资料和地质出露点剖面,推断和田断层在第四系以来有过两次明显的活动,导致晚更新世砂砾石土层被断错。     

确定断煤交线位置的数学计算方法

断层是影响矿井安全生产的重要因素。在地质图件中,断层的位置常用断层走向来表达,但由于煤矿生产的特殊性,不仅需要掌握断层的走向,更需要掌握断煤交线的方向。通常在煤层倾角稍大、断层倾角稍小的情况下,断层走向与断煤交线存在一个夹角,求取该夹角,可准确追踪断层附近煤层。为此以正断层为例,利用断层及煤层的走向与倾角要素,推导出2个计算断煤交线与断层走向夹角的公式。通过例举几种特殊情况,佐证2个公式具有普遍适用性。     

断层对采空区地表沉降影响的模拟

断层是影响采空区地表沉降的重要因素。针对这一问题,采用数值模拟的方法,建立矿山地层、断层和采空区的三维地质模型,对比有无断层时,采空区地表沉降的变化规律,并详细分析了断层倾角、断层与采空区相对位置关系、断层摩擦强度等因素对沉降规律的影响。研究表明：断层不仅对采空区沉降起放大作用,同时对地表沉降变形起隔断作用。断层的存在使地表塌陷盆地中心向断层方向偏移。断层倾角在40°~50°时,地表沉降量出现最大值;断层倾角在35°~40°时,采空区顶板下沉量出现最大值。随着断层抗剪强度的减弱,采空区地表沉降量增大;但当断层的内摩擦角大于或等于周围地层的内摩擦角时,断层内摩擦角的增大对地表沉降量的影响不明显。     

碰撞带倾角和摩擦系数对陆-陆碰撞变形的影响

借助一个简单的大陆与大陆碰撞模型,即把两个大陆的碰撞简化为两个粘弹性块体的碰撞,两个块体之间的不连续变形面对应两个大陆之间的碰撞断裂带,运用三维粘弹性拉格朗日非连续变形有限元(LDDA)方法,通过分析模型中不连续变形面的存在对两个粘弹性块体碰撞变形的影响,探讨了大陆碰撞断裂带的倾角和摩擦系数对两个大陆碰撞变形影响的一般规律,给出了大陆碰撞变形的一些显著的特点。尽管运算模型的几何尺寸、边界条件等参考了印度和欧亚大陆碰撞的实际特征,但所得结果适用于更一般的情况。研究结果表明,碰撞断裂带倾角和摩擦系数对陆-陆碰撞变形有着重要的影响。当断裂带倾角在15~30°时,两个大陆板块碰撞导致的仰冲板块一侧隆升高度相对更大,利于形成高大的山脉,其中以15°倾角对应的仰冲板块一侧隆升最高;当断裂带倾角在30~45°时,两个大陆板块碰撞导致的俯冲板块的俯冲深度相对更深,利于形成深陷的盆地,其中以45°倾角对应的俯冲陆块一侧俯冲最深;当断裂带倾角≥75°时,两个大陆板块之间的相对俯冲和仰冲作用变得不明显。碰撞断裂带摩擦系数越小,碰撞过程中两个大陆板块之间相对俯冲和仰冲作用越强,形成高大的山脉和深陷的盆地要求碰撞断裂带摩擦系数≤0.2。从大陆与大陆碰撞变形构造特征看,除发育前陆盆地-山脉系统外,在仰冲陆块一侧靠近造山带后缘还发育呈不对称结构的挤压性凹陷,当两个大陆板块碰撞断裂带倾角在15~30°时,该类型凹陷更容易形成,其中以30°倾角对应的凹陷最深,反映其形成可能是大陆碰撞过程中陆块之间相对俯冲和仰冲运动的综合结果。     

华北板块南缘的变形分解:洛南-栾川断裂带与秦岭北缘强变形带研究

秦岭洛南-栾川断裂带具有左旋斜向俯冲的运动学特征,其产状一般为107°/N∠65°。华南板块的俯冲方向为80°,俯冲角度为42°;华南板块运动方向为42°,运动方向与华北板块南部边界的夹角为65°,汇聚角25°。秦岭北缘强变形带内褶皱枢纽延伸方向为290°,与洛南-栾川断裂带存在15°的夹角。逆冲断层走向与褶皱的枢纽方向基本一致,大多数断层与洛南-栾川断裂带有相同的运动学极性,性质为左行平移逆断层。平移正断层走向主要为NE SW,断层性质、展布方向、运动学特征与板块汇聚的应力作用方式吻合;片理、片麻理走向117°,与洛南-栾川断裂带走向夹角为10°。在垂直剪切带的剖面上,系统观察岩石变形特征,测量面理产状,进行岩石有限应变测量,岩石非共轴递进变形分析结果表明:秦岭北缘强变形带内由南向北面理走向与剪切带走向的夹角逐渐增大,岩石剪应变量依次递减,造山带变形具有“三斜对称”特点。     

断背斜应变中和面张性段储层主控因素及预测方法——以克拉苏冲断带为例

塔里木盆地库车坳陷克拉苏冲断带白垩系巴什基奇克组储集层垂向上一直被认为主要受沉积相带控制。在钻井过程中,相同应力背景、同一相带储集层垂向上物性、裂缝特征、地应力、钻遇复杂程度均存在差异。本文以克拉苏冲断带克深井区为例,从实际地质资料出发,根据实钻过程中的岩心、FMI成像测井、常规测井、地应力等特征,提出断背斜目的层垂向上基于应力差异分为张性段、过渡段、压扭段。三段中,以张性段储集层储层品质最好,储层物性高、挤压应力相对较弱、裂缝溶蚀强度高、钻井事故少,天然气量占天然气地质储量的60%以上,为勘探的首选区。结合有限元数值模拟技术,提出控制张性段的主要因素为构造最大主曲率、南翼边界断层倾角、断控幅度角、构造枢纽与高点之间夹角。根据四个控制因素的相关性及实际应用性提出了利用构造最大主曲率及断控幅度角预测张性段厚度的方法,两者误差均低于20%。构造最大主曲率法适用于井控程度高的井区,如评价–开发阶段;断控幅度角法基于过目标靶点的地震资料,对井控无要求,适用于圈闭预探-评价-开发阶段。     

断层对顶板稳定性影响相似模拟试验研究

通过相似模拟试验方法分析了不同倾向高角度正断层, 在采动影响下顶板岩体变形破坏和矿压分布规律。结果表明, 在采动影响下断层“活化”,断层带及其影响范围内的岩体破碎, 表现为周期断裂步距小, 冒落带高, 尤其是断层下盘, 顶板稳定性差; 当工作面开采到离断层面22.5~ 30 m时, 直到断层位置的前方煤体中支承压力增大, 煤体被压碎, 且随着距断层面距离的缩小, 支承压力的峰值位置向工作面前方转移; 通过断层后, 顶板岩体中支承压力减小, 比无断层存在的情况要低。      

断展褶皱要素对隐伏滑脱层深度及几何样式的约束:数学分析及其在重庆地区薄皮构造中的应用

根据平衡地质剖面原理,在前人建立的断展褶皱数学模型基础上,进一步推导出断展褶皱要素组合对隐伏滑脱层发育深度和几何样式的限定。需要给定的参数组合包括:断展褶皱后翼倾角2θ、翼间角γ、背斜的构造高度h、背斜的宽度LAB、断端点T以上地层厚度h0。这些参数均可由野外实测或地震剖面解释中给定。由这些参数可以推导出:断坡的倾角α、断坡的顶点T到断层滑距开始降低的点P的距离LTP、地层的压缩量f0、隐伏滑脱层的深度h’。将此推导过程用VC++编程软件ZB1.0加以实现。根据地震剖面的解释及地表资料整理结果,把上述演算结果应用于重庆方斗山地区的茨竹亚背斜的2个剖面中,计算出隐伏滑脱层的深度分别为8.10~8.63 km,证明茨竹亚背斜隐伏主滑脱层发育于寒武系底部。滑脱断层断坡倾角为29°~45,°属于中等倾角。这一研究成果既可在理论上定量计算隐伏滑脱层样式和深度,又能指导对潜伏构造的勘探实践。     

Analogue and numerical modeling of normal fault patterns produced due to slip along a detachment zone

In this paper, we investigate normal fault patterns produced by the sliding motion along a gently dipping normal fault by using analogue model tests and numerical modeling. The motivation for this study was offered by microseismic test data that indicate the existence of an active low-angle shear zone at a depth of 9–11 km in the extensional region of high seismic activity of the Gulf of Corinth (Greece). Both modeling techniques seem to support the hypothesis that the system of high-angle normal faults that are responsible for the final asymmetrical graben formation initiate at the tip of the active basal detachment nearest to the free surface. The normal faults propagate upwards with progressive sliding of the inclined basal plane, resulting in a first phase of symmetrical graben configuration that is delimited by a main synthetic fault and an antithetic fault forming a Rankine zone. Subsequent sliding on the inclined base induces a family of secondary antithetic normal faults, which are responsible for the asymmetry of the failure pattern and the diffusive character of deformation in that area. Shear deformation is more intense and localized along the synthetic normal fault than along the antithetic faults. Elaboration on the analogue test results has led to the phenomenological relations among four main parameters that describe the geometry of grabens, namely, (i) the width and (ii) the maximum subsidence of the graben, (iii) the dip angles of the conjugate normal faults, and (iv) the amount of sliding along the low-angle normal fault. However, analogue models do not produce the system of synthetic faults that is observed in the Gulf of Corinth. The effects of both friction angle variation along the detachment base and of the constitutive behavior of the model material on the configuration of the final structural pattern were also studied with a series of numerical continuum models. It was found that (a) the fault pattern of the Gulf of Corinth may be reproduced with either a strain-softening material with low elastic modulus or a constant strength material, and (b) two consecutive grabens, such as those of Gulfs of Corinth and Evia, may also be reproduced by an appropriate combination of variation of dip and frictional properties along the hypothesized detachment zone.